ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2024, № 4 · ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

Механический тепловой ключ криогенного магнитного рефрижератора

А.В. Маширов1, К.А. Колесов1, И.И. Мусабиров2, Д.Д. Кузнецов1, В.В. Коледов1, В.Г. Шавров1

1 ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, Москва, Россия
2 ИПСМ РАН, Уфа, Россия
Полный текст DOI: 10.30898/1684-1719.2024.4.10 УДК 536.241 EDN AVLASO

Аннотация

В данной работе исследуются рабочие параметры в криогенном механическом тепловом ключе, который представляет собой разъемную контактную пару из сплава GdNi2 в виде диска и медного цилиндра. Механический тепловой ключ функционирует в вакууме в диапазоне температур 8-325 К при давлении прижатия 250-350 кПа. Исследуется время наступления теплового равновесия при различных пятнах контакта с индиевым термоинтерфейсом и без него при начальной разнице температур образцов 0.8-10 К в диапазоне температур от 8 до 122 К. Было измерено, что при температурном напоре 3±0.14 К в интервале 50…122 К значения температурной релаксации составляет 33.7...39.9 секунд. Уменьшение номинальной площади контакта с 177 мм2 до 2.5 мм2, увеличивает значения времени температурной релаксации в 1.8 раз, при температуре 73.3 К с 36.6 до 63.5 секунд. Данный температурный интервал соответствует области максимального магнитокалорического эффекта вблизи температуры Кюри сплава GdNi2. На основе экспериментальных данных получены значения количества тепла, которое необходимо отвести для поддержания требуемой температуры объекта охлаждения в криогенном магнитном рефрижераторе.

  • магнитокалорический эффект
  • магнитное охлаждение
Abstract (in English)

Mechanical heat switch for cryogenic magnetic refrigerator

This work study the operating parameters of a cryogenic mechanical thermal switch, a detachable contact pair made of a alloy GdNi2 disk and a copper cylinder. The mechanical thermal switch operates in a vacuum in the temperature range of 8-325 K with a pressure of 250-350 kPa. The time of thermal equilibrium is studied at different contact areas with and without an indium thermal interface at an initial temperature difference of 0.8-10 K in the contact pair in the temperature range from 8 to 122 K. The temperature relaxation value is 33.7...39.9 seconds at a temperature difference of 3±0.14 K in the range of 50...122 K. Reducing the nominal contact area from 177 mm2 to 2.5 mm2 increases the temperature relaxation time at a temperature of 73.3 K from 36.6 to 63.5 seconds. This temperature range corresponds to the maximum magnetocaloric effect near the Curie temperature of the GdNi2 alloy. The values of the heat that must be removed to maintain the required temperature of the cooling object in a cryogenic magnetic refrigerator have been obtained.

Для цитирования

Маширов А.В., Колесов К.А., Мусабиров И.И., Кузнецов Д.Д., Коледов В.В., Шавров В.Г. Механический тепловой ключ криогенного магнитного рефрижератора // Журнал радиоэлектроники. – 2024. – № 4. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2024.4.10

Литература

  1. Franco V. et al. Magnetocaloric effect: From materials research to refrigeration devices //Progress in Materials Science. - 2018. - Т. 93. - С. 112-232.
  2. Kitanovski A. et al. The thermodynamics of magnetocaloric energy conversion // Magnetocaloric Energy Conversion: From Theory to Applications. - 2015. - С. 1-21.
  3. Kitanovski A. Energy applications of magnetocaloric materials // Advanced Energy Materials. - 2020. - Т. 10. - №. 10. - С. 1903741.
  4. Liu W. et al. A study on rare-earth Laves phases for magnetocaloric liquefaction of hydrogen // Applied Materials Today. - 2022. - Т. 29. - С. 101624.
  5. Liu W. et al. Designing magnetocaloric materials for hydrogen liquefaction with light rare-earth Laves phases //Journal of Physics: Energy. - 2023. - Т. 5. - №. 3. - С. 034001.
  6. Park J., Jeong S., Kim S. AC Operation of Gd-Ba-Cu-O High TC Superconducting Magnet for Magnetic Refrigeration // IEEE transactions on applied superconductivity. - 2013. - Т. 24. - №. 3. - С. 1-4.
  7. Park J., Park I., Jeong S., Kim S. Experimental Investigation on Conduction-Cooled Fast-Ramping Layer-Wound (RE)BCO Superconducting Magnet for Magnetic Refrigeration // IEEE transactions on applied superconductivity. - 2015. - Т. 25. - №. 3. - С. 1-5.
  8. Park J., Jeong S., Park I. Development and parametric study of the convection-type stationary adiabatic demagnetization refrigerator (ADR) for hydrogen re-condensation //Cryogenics. - 2015. - Т. 71. - С. 82-89.
  9. Park I. et al. Ramping operation of the conduction-cooled high-temperature superconducting magnet for an active magnetic regenerator system // IEEE Transactions on applied superconductivity. - 2016. - Т. 26. - №. 4. - С. 1-5.
  10. Park I. et al. Performance of the fast-ramping high temperature superconducting magnet system for an active magnetic regenerator // IEEE Transactions on Applied Superconductivity. - 2017. - Т. 27. - №. 4. - С. 1-5.
  11. Park I., Jeong S. Development of the active magnetic regenerative refrigerator operating between 77 K and 20 K with the conduction cooled high temperature superconducting magnet //Cryogenics. - 2017. - Т. 88. - С. 106-115.
  12. Park I. et al. Design method of the layered active magnetic regenerator (AMR) for hydrogen liquefaction by numerical simulation // Cryogenics. - 2015. - Т. 70. - С. 57-64.
  13. Kim Y., Park I., Jeong S. Experimental investigation of two-stage active magnetic regenerative refrigerator operating between 77 K and 20 K // Cryogenics. - 2013. - Т. 57. - С. 113-121.
  14. Park I. et al. Performance analysis of the active magnetic regenerative refrigerator for 20 K. // Proceedings of the 19th International Cryocooler Conference. - June 20-23. - 2016. - C. 495.
  15. Kamiya K. et al. Active magnetic regenerative refrigeration using superconducting solenoid for hydrogen liquefaction // Applied Physics Express. - 2022. - Т. 15. - №. 5. - С. 053001.
  16. Numazawa T. et al. Magnetic refrigerator for hydrogen liquefaction // Cryogenics. - 2014. - Т. 62. - С. 185-192.
  17. Klinar K. et al. Fluidic and mechanical thermal control devices // Advanced electronic materials. - 2021. - Т. 7. - №. 3. - С. 2000623.
  18. Anikin M. et al. Magnetic and magnetocaloric properties of Gd(Ni1- xFex)2 quasi-binary Laves phases with x=0.04÷0.16 // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. - 2018. - Т. 449. - С. 353-359.
  19. Mashirov A. V. et al. Homogenization annealing and magnetic properties of a sample of the Laves phase GdNi2 //Fizika Tverdogo Tela. - 2021. - Т. 63. - №. 12. - С. 1994-1999.
  20. Dhuley R. C. Pressed copper and gold-plated copper contacts at low temperatures-A review of thermal contact resistance // Cryogenics. - 2019. - Т. 101. - С. 111-124.
  21. Baranov N. V. et al. Enhanced magnetic entropy in GdNi2 // Physical Review B. - 2007. - Т. 75. - №. 9. - С. 092402.
  22. Stevens R., Boerio-Goates J. Heat capacity of copper on the ITS-90 temperature scale using adiabatic calorimetry // The Journal of Chemical Thermodynamics. - 2004. - Т. 36. - №. 10. - С. 857-863.
  23. Kolesov K. et al. Parameters of the Cryogenic Mechanical Thermal Switch with Temperature Range 15-120 K for Magnetic Refrigerators // Unpublished results. - 2024.
  24. Taskaev S. et al. Magnetocaloric effect in GdNi2 for cryogenic gas liquefaction studied in magnetic fields up to 50 T //Journal of applied physics. - 2020. - Т. 127. - №. 23.
  25. Cryomech. (19 04 2023 г.). Cryomech. Получено из Cryomech: https://www.cryomech.com/cryocoolers/gifford-mcmahon-cryocoolers
  26. Marland B., Bugby D., Stouffer C. Development and testing of advanced cryogenic thermal switch concepts // AIP Conference Proceedings. - AIP Publishing, 2000. - Т. 504. - №. 1. - С. 837-846.
  27. Dermenakis S. Thermal characterization of a gas-gap heat switch for satellite thermal control // Master Thesis, Delft University of Technology. - 2016.
  28. Jahromi A. E., Sullivan D. F. A piezoelectric cryogenic heat switch // Review of Scientific Instruments. - 2014. - Т. 85. - №. 6.